面向微细制造的微成形技术

综述了近年来微成形(微尺度金属零件和微结构金属零件成形)技术的发展概况，包括微成形工艺系统、成形中的微尺度效应、微尺度冲裁、挤压、拉深、超塑成形等工艺的试验和研究结果，以及已经提出和发展的考虑微尺度效应的各种力学本构模型，并简要介绍了微成形相关的工艺装备系统的发展现状，分析了微成形技术的发展趋势和经济潜力。     

微挤压成形工艺仿真建模与分析

微细成形是一种绿色、节能的新型加工方法，但是由于微细成形的特殊加工条件和状态，传统的加工方法已经不能直接应用到该领域。针对重要的微挤压成形工艺特点，分析了特征尺度效应和晶粒尺度效应对微挤压材料成形性能的影响，引入尺度效应影响的刚塑性材料本构模型，利用ABAQUS／Explicit软件建立FEM（finite elementmethod）模型对微细挤压工艺进行了数值分析。通过工艺仿真分析，揭示了各工艺参数对微细挤压工艺的影响，为微细挤压工艺设计与相应的模具设计提供了可靠的理论指导。     

微细辊对平板辊压成形工艺建模与尺度效应分析

带有功能性表面微细结构特征的金属构件在诸多领域得到越来越多的应用。当微细特征的尺寸小于1 mm时,成形模具的模腔几何尺寸和材料的晶粒尺寸决定着金属材料的流动行为,微特征的成形质量受到尺度效应的严重影响。传统的工艺设计方法难以有效指导微细成形工艺参数的设计。研究一种高效的金属构件表面微细结构加工方法——微细辊对平板(Roll-to-plate,R2P)辊压成形工艺。针对不同晶粒尺度的铜试样,研究晶粒尺度对材料力学性能的影响规律;构建R2P微细辊压成形工艺仿真模型,分析辊压模腔尺寸、材料晶粒尺寸等工艺参数对微特征成形质量的影响规律;基于自主开发的R2P微细辊压成形原型系统,进行辊压成形试验研究,验证仿真预测模型的有效性。研究结果显示,在模腔几何尺寸中,模槽宽度对材料的流动行为有着显著地影响。而且,不同的晶粒尺寸也显著影响着微特征的形成过程。     

关于微型齿轮尺度界定的讨论

微型齿轮并非传统宏观齿轮的简单几何缩小,当齿轮微小化后将面临微尺度效应的难题.提出微尺度应该与微尺度效应相对应,对微型齿轮的尺度进行界定,并按尺度对微型齿轮进行分类的观点.以前人的试验和研究的结论为依据,探索将微尺度划分为微小尺度、微细尺度、微纳尺度、超微纳尺度.对渐开线标准直齿圆柱微型齿轮进行尺度界定,按尺度将微型齿轮分为微小齿轮、微细齿轮、微纳齿轮、超微纳齿轮,指出各类微型齿轮在研究设计时应主要考虑微尺度效应.     

H62黄铜自由微弯曲装置及其尺度效应

微型化和尺度效应使得微弯曲在成形工艺、方法和装置上和传统弯曲有很大差异。本文针对微弯曲成形的特点研制出微弯曲成形装置,主要包括传动机构、模具、数据采集模块和定位系统。利用该装置,在0.077 mm/s的成形速度下,分别对0.1 mm、0.2 mm和0.4 mm厚的H62黄铜超薄板进行自由弯曲实验,根据采集数据得到弯矩-挠度拟合曲线,分析了微弯曲过程中的尺寸效应:即试样尺寸与晶粒尺寸对弯矩的影响规律,结果表明弯矩随着晶粒尺寸的增大而减小,并用表面层模型和细晶强化理论来进行解释。     

微尺度效应下的聚合物熔体粘度理论及试验

根据毛细管流变仪测量原理,提出关于微尺度效应对聚合物熔体粘度变化的作用机理.基于Kelvin-Voigt本构方程,建立微尺度粘度模型.研制直径分别为1 000 μm,500 μm,355 μm毛细管口模,用PP,PS,HDPE材料进行不同剪切速率下的粘度试验研究.结果表明,同一剪切速率下,熔体粘度随口模直径的减小而降低;随着剪切速率的增加,粘度减小趋势在缩小.将试验相关数据代入微尺度粘度模型进行理论计算,结果表明理论曲线与试验曲线相符合,最大误差小于8%,验证数学模型的合理性,这对微注塑成型和微挤出成型,精确模拟充模流动和指导微模具设计有重要理论参考价值.     

微尺度激光冲击成形技术

介绍激光冲击成形的作用机理,论述了激光冲击微成形的方法,分析了影响激光冲击微成形的主要因素,包括尺度效应、约束层和涂层、激光参数等.提出了基于模具的激光冲击微成形方法.     

微电子机械系统的力学特性与尺度效应

针对微电子机械系统（MEMS）材料的力学特性,工艺过程对力学特性的影响以及微执行器、微机器人的尺度效应等力学问题进行了研究。从力学角度提出了硅和常用的薄膜材料作为MEMS结构材料时应遵循的设计和加工原则,并系统地分析、归纳了静电、电磁、压电、形状记忆合金等各种微执行器的尺度效应特征。通过对机器蚂蚁、微型飞机、微型机器鱼等微机器人在微尺度下的动力学特性分析,得到微机器人在尺寸越小时越容易被驱动的结论,为设计和制作微机器人等复杂微系统提供了理论依据。     

应用TAGUCHI法对微拉深成形有限元模拟结果的误差分析

为考察基于传统本构模型和求解算法的有限元程序模拟金属微成形过程的适应性,设计正交试验,应用自行开发的板料成形有限元程序ARVIP-3D对微成形和等比放大10倍的常规成形进行模拟计算,并根据质量工程中的TAGUCHI法,参考信噪比的概念,对材料参数和工艺条件等因素对两类相似拉深的模拟结果误差进行了分析。结果表明：微成形中的尺度效应主要是成形机理与常规成形不同而引起的,基于传统本构模型和求解算法的有限元程序不能正确模拟微成形过程,但可以模拟出摩擦引起的尺度效应;宏微观尺度的成形模拟结果误差主要来自于浮点运算的误差,但几何和力学条件的处理也给模拟误差带来了影响。因此,在开发适合于微成形模拟的新型有限元程序中,不仅要考虑本构模型的特殊性,几何和力学条件的相关处理算法也应进行改进。     

微机电系统的尺度效应及其影响

评述了MEMS系统中,尺度效应对材料性能、器件的机械特性、流体系统以及摩擦和粘附等方面的影响,微尺度效应是在微机电系统的设计过程必须考虑的问题,也是MEMS产品从实验室走向市场化商品的关键理论基础。     

干式气体端面密封的研究现状

非接触式干式气体端面密封(DGS)是一种新型机械密封,在旋转机泵的转轴轴端密封装置中已经得到成功应用.对DGS的研究进展进行了总结,着重介绍了密封性能的理论分析与数值计算方法,端面微槽的优化设计方法,试验研究方法以及考虑端面微尺度效应和滑移流效应基础研究等方面的研究现状.指出在高参数条件下DGS端面的热流固耦合与解耦分析,低速或低压条件下密封的启动与停车性能的准确预测及结构优化是DGS技术未来研究的重点,也是进一步拓广DGS应用领域、提高其工作可靠性的关键.     

精密微成形技术的研究现状

介绍了精密微成形技术的基本特点,分析总结了微成形技术的主要研究领域、研究现状,阐述了将非晶合金材料应用到微成形领域的优点以及非晶微成形工艺的最新研究进展,并指出了精密微成形技术的发展趋势。     

基于粗糙集模糊控制的微孔钻削在线监测

提出了一种基于粗糙集模糊控制的微孔钻削在线监测的方法。克服了当模糊系统输入维数高时,系统模糊规则过多,计算过于复杂的缺点。在MATLAB环境下,应用构造好的模糊系统对主轴电机三相电流信号进行实时数据处理,获取隐含微细钻头磨损状态的信息值,对微孔钻削过程进行在线监测实验,结果表明,适当选择监测阈值,可以有效避免微细钻头的折断。     

Scale effects and a method for similarity evaluation in micro electrical discharge machining

Electrical discharge machining(EDM) is a promising non-traditional micro machining technology that offers a vast array of applications in the manufacturing industry. However, scale effects occur when machining at the micro-scale, which can make it difficult to predict and optimize the machining performances of micro EDM. A new concept of “scale effects” in micro EDM is proposed, the scale effects can reveal the difference in machining performances between micro EDM and conventional macro EDM. Similarity theory is presented to evaluate the scale effects in micro EDM. Single factor experiments are conducted and the experimental results are analyzed by discussing the similarity difference and similarity precision. The results show that the output results of scale effects in micro EDM do not change linearly with discharge parameters. The values of similarity precision of machining time significantly increase when scaling-down the capacitance or open-circuit voltage. It is indicated that the lower the scale of the discharge parameter, the greater the deviation of non-geometrical similarity degree over geometrical similarity degree, which means that the micro EDM system with lower discharge energy experiences more scale effects. The largest similarity difference is 5.34 while the largest similarity precision can be as high as 114.03. It is suggested that the similarity precision is more effective in reflecting the scale effects and their fluctuation than similarity difference. Consequently, similarity theory is suitable for evaluating the scale effects in micro EDM. This proposed research offers engineering values for optimizing the machining parameters and improving the machining performances of micro EDM.     

基于动态树理论的刀具磨损监测技术

提出了基于动态树理论的刀具磨损监测方法,通过相关系数法提取传感器信号与刀具磨损最相关的几组特征,并采用具有局部记忆的B样条模糊神经网络建立刀具磨损量与声发射信号、切削力信号和振动信号特征之间的非线性映射关系,构造了任意加工条件下的刀具磨损监测系统,刀具磨损的识别结果由集成神经网络输出。试验结果表明,基于此方法构建的刀具磨损监测系统具有精度高、可靠度强、增殖性好和在线识别速度快等优点,值得工业推广。     

RESEARCH OF DYNAMIC CHARACTERIATIC FOR TRANSMISSION SYSTEM

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引入梯度分布特征的图像背景杂波度量

为提高图像背景杂波度量法对目标获取性能的预测精度,本文基于人眼视觉对物体边缘敏感的视觉特性,将区域梯度分布作为新的结构特征,提出了引入梯度分布特征的图像背景杂波度量法。首先,采用梯度方向直方图表征目标结构特征,选用巴氏系数度量图像目标和背景杂波在两个梯度方向直方图的相似性;然后,将基于图像结构相似性度量方法得到的结构相似性信息进行加权;最后采用D.L.Wilson提出的目标获取性能模型作为目标探测概率、虚警概率和搜索时间的预测模型对Search_2数据库中的目标进行了获取性能预测。结果显示,提出的图像杂波度量法提高了目标获取性能模型的预测精度,得到的线性相关系数分别为0.870、0.845、0.897,均方根误差分别为0.0569、0.0469、2.129,与实际观察者获得的一致性较高,且没有明显的野点,预测性能明显优于现有其他杂波度量方法。     

浓度对“微量”样品NMR信号影响

本工作利用微量核磁管(Φ2.5 mm)和常规核磁管(Φ5 mm)对同一化合物同等质量(2 mg)两份样品进行多种核磁共振实验,对两种不同浓度下NMR信号进行分析,并利用微量样品管顺利完成对头孢硫脒的结构确认。实验结果表明:当可用于测试样品量较少时,利用微量样品管提高样品测试浓度可明显地改善核磁谱图质量;微量样品管在小样品量的NMR分析中具有潜在应用价值。     

Dynamic characterization for the dielectric electroactive polymer fundamental sheet

A study into the appropriateness of characterizing the dynamics of the dielectric electroactive polymer (DEAP) fundamental sheet has been performed. Whereby a model describing the dynamics of the DEAP fundamental sheet is developed, parameters of the models are determined using experimental/simulation results, and verification has been conducted to determine the precision of the dynamic model. The precision for the DEAP sheet-obtained dynamic model could not be verified unless some parameters characterizing the material properties are found. For this purpose, a set of preparatory experiments are done in order to find the material properties “Young’s modulus and damping”. The testing for finding the material properties is requested before doing the dynamic analysis; both material characterization and dynamic analysis tests are performed using the developed testing rig which will be described in the paper. The results of this study highlight the dependency of the material dynamics on the mechanical fixture of the material, whereby the range of operation can be reduced to lower frequencies or expanded to higher frequencies when the mechanical fixture is designed for a certain application. The test results for the material show a relatively visible error between 0 and 20 Hz, but the error diverges after this range was stimulated when exceeding the natural frequency of the system, leading to nonstable state affecting the controllability of the actuated material. The following error is established due to the static friction in the setup and mainly as expected before the ignorance of the polymer creep, as exhibited through the dynamic experimentation verified by an excellent correlation whenever viscoelastic property is considered.